僅僅4個月!五位本科生成功“造芯”

“如何評價中國科學(xué)院大學(xué)（以下簡稱國科大）‘一生一芯計劃？”在某問答網(wǎng)站上，這個問題獲得了超千萬的關(guān)注熱度。

五位本科生，主導(dǎo)完成了一款64位RISC-V處理器SoC芯片設(shè)計并實現(xiàn)流片。這款芯片，被稱作他們的 “最硬核畢業(yè)證書”。

和芯片有關(guān)的新聞，總能牽動國人的心。而當主角成為幾個“帶芯畢業(yè)”二十出頭的年輕人，就更加引人好奇。網(wǎng)上的聲音多種多樣，有人鼓掌，有人唱衰，有人將它和中國芯片產(chǎn)業(yè)聯(lián)系起來，寫了洋洋灑灑長篇分析。

如今，五位學(xué)生已經(jīng)開始了新的工作。他們正在深圳，參與新的更高性能芯片的設(shè)計。

1、“一生一芯”：本科生做芯片不是天方夜譚

芯片是今年五月底快遞到王華強家的。

它大概一元硬幣大小，上面刻著 “COOSCA-01”和“一生一芯”的字樣，還有國科大的Logo。

COOSCA是一個內(nèi)部代號，是國科大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院的三門課程——計算機組成原理、操作系統(tǒng)和計算機架構(gòu)的縮寫?！耙簧恍尽眲t是計劃的名字，意思是讓每位本科生帶著自己設(shè)計的處理器芯片畢業(yè)。

受新冠肺炎疫情影響，今年國科大的本科畢業(yè)答辯在線上進行。王華強代表“一生一芯”團隊，向答辯委員會的老師遠程展示了芯片。他把芯片裝上測試板，用串口線將測試板與電腦連接，打開電腦上的終端軟件，按下測試板上的復(fù)位鍵，運行了幾個簡單的程序——Linux系統(tǒng)跑起來了。

然而，去年夏天，“一生一芯”計劃參與者張紫飛第一次聽到該計劃時的第一反應(yīng)卻是“天方夜譚吧”。讓幾個本科生用幾個月時間，設(shè)計出一枚能夠運行Linux這樣復(fù)雜操作系統(tǒng)的芯片，可能嗎？

“一生一芯”計劃負責(zé)人、國科大計算機學(xué)院教授、中國科學(xué)院計算所先進計算機系統(tǒng)研究中心主任包云崗則覺得，在開源時代，將芯片設(shè)計的門檻降下來，是可能的。

包云崗對2008年至2017年計算機體系結(jié)構(gòu)國際頂級會議論文第一作者做過分析，只有4%來自中國的高校和科研院所。中國的處理器芯片設(shè)計界，缺人。

開放指令集RISC-V與芯片敏捷開發(fā)語言Chisel，能使開發(fā)效率數(shù)量級提升。RISC-V，正是包云崗近幾年的研究重心。這一指令集可以自由地用于任何目的，允許任何人設(shè)計、制造和銷售RISC-V芯片和軟件。

2018年時，包云崗就隱約意識到，RISC-V對人才培養(yǎng)會有幫助。2019年5月，華為被美國商務(wù)部列入實體名單，人才危局必須盡快找到出路。包云崗迅速將他模糊的想法細化：讓學(xué)生學(xué)習(xí)并實踐芯片敏捷設(shè)計方法，參與芯片設(shè)計實現(xiàn)，通過大學(xué)流片計劃完成芯片制造。

如果學(xué)生能帶著他們自己設(shè)計的芯片實物畢業(yè)，這會是最特別的畢業(yè)紀念。

2019年8月，“一生一芯”計劃正式啟動。包云崗將之稱為一次教學(xué)實踐。國科大校領(lǐng)導(dǎo)認為，它會掀起本科教學(xué)改革的新篇章。

五位參與的學(xué)生是金越、王華強、王凱帆、張林雋和張紫飛，他們都是國科大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2016級本科生，那時也都已通過了中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所的保研夏令營，成為首批吃螃蟹的人。

在王華強看來，如果能用自己做的芯片運行自己寫的操作系統(tǒng)，“很浪漫”。

計算機體系結(jié)構(gòu)是一個古老但依然生機勃勃的領(lǐng)域。“我們現(xiàn)在用的很多東西都是很多年前的成果。隨著科技的發(fā)展和國內(nèi)外形勢的變化，我個人認為，在體系結(jié)構(gòu)上應(yīng)該還有廣闊的探索空間?！蓖跞A強喜歡動手實操。就算做出來的只是個玩具，自己親手打磨的東西，還是不一樣。

在熱鬧的計算機行業(yè)中，這些偏好體系結(jié)構(gòu)的學(xué)生，想找到那些更堅固的東西，抓住，并且堅持下去。

2、踩坑、挖坑，再從坑里爬出來

其實，在學(xué)生們面前的，是一條未有人走過的路。

難度究竟如何，耗時需要多久，可能會有什么坑……通通都是未知數(shù)。沒有導(dǎo)航，他們需要自己打怪升級，自己試錯嘗試。

當然，他們也并非是在白紙上作畫。

教師團隊已經(jīng)制定了總體方案，確定了技術(shù)路線，選擇好了基礎(chǔ)平臺，搭建了開發(fā)環(huán)境，也選定了流片工藝和班車。五位學(xué)生真正動手之前，一支實力強大的教師團隊，為學(xué)生的乘風(fēng)破浪，做好了保駕護航的準備。

做芯片，其實分為前端和后端。前端主要是做設(shè)計，用數(shù)字電路的方式實現(xiàn)處理器的功能;后端則是用物理元件來實現(xiàn)這些設(shè)計。

“要說芯片都是我們做的，并不準確。其實我們只是做了前端的邏輯設(shè)計部分?！蓖鮿P帆強調(diào)。

他嘗試用最通俗的語言向科技日報記者解釋設(shè)計芯片是怎么一回事——類似于畫一張大樓的施工圖紙。只不過，呈現(xiàn)這張圖紙，用的不是線條，而是一種叫做Chisel的硬件語言。

此前，包云崗團隊中的博士生余子濠為南京大學(xué)開發(fā)了一款教學(xué)用RISC-V處理器，“一生一芯”計劃的學(xué)生要在此基礎(chǔ)上進行改進，把師兄搭建的房子，改建得更舒服、更亮堂。

包云崗說，在實際產(chǎn)品研發(fā)和科研工作中，也往往不是從頭開始，更多是在已有基礎(chǔ)上，增加新功能，提高性能?！斑@培養(yǎng)的是學(xué)生‘理解—消化—創(chuàng)新的能力?！?/p>

大家采用了當下流行的“敏捷開發(fā)”模式：每人負責(zé)一個或幾個模塊，齊頭并進，多線推進，然后合龍。

“一生一芯”計劃的目標很明確：在芯片上運行Linux系統(tǒng)，支持基本的輸入輸出設(shè)備。

先解決“能不能”“對不對”的問題，再來看“快不快”“好不好”。

對新手施工設(shè)計團隊來說，他們蓋的第一棟房子，要保證的是屹立不倒。“要是哪面墻放錯了地方，或者墻體本身設(shè)計的承重強度不夠，整棟樓也就塌了?！蓖鮿P帆說。

從2019年8月正式動手設(shè)計，到12月中旬交付設(shè)計圖紙，五人組踩過坑，給別人挖過坑，也掙扎著從坑里爬出來過;他們曾熬夜和不知躲在哪里的錯誤死磕，還要對抗可能拖延隊友進度的焦慮。

團隊成員金越負責(zé)的是片上系統(tǒng)。除了中央處理器，在系統(tǒng)內(nèi)還有五個控制器來實現(xiàn)具體功能。“就像大腦需要控制四肢讓人體運動一樣?！苯鹪秸f。

這些控制器的代碼是由開源社區(qū)提供的，但團隊并不清楚這些控制器是否適合他們設(shè)計的這款芯片。金越需要編寫驅(qū)動軟件，測試外設(shè)控制器是否設(shè)置正確，能否正常工作。

“要是出現(xiàn)問題就很麻煩了。到底是我的軟件寫錯了，還是外設(shè)控制器本身有問題？如果是外設(shè)控制器有問題，到底是哪個有問題？”變量太多，排列組合下來，測試復(fù)雜得讓人頭疼。

“做驗證的那幾天，幾乎沒怎么睡過覺。”金越半夜對著電腦，查手冊，查代碼，查波形，懷著點“我就不信邪”的不忿：“我一定要把這個東西弄出來?！?/p>

導(dǎo)師團隊可以為迷茫的學(xué)生指出大概的方向，但這個方向上會碰到什么，要上山還是要過河，還是得靠學(xué)生自己嘗試。

尋找問題究竟出在哪，是幾乎每個計劃參與者都會提到的“痛苦”經(jīng)歷。王華強說，這就是一個“按下葫蘆起了瓢”的過程。

作為團隊唯一的女將，張林雋負責(zé)的部分是預(yù)取器。你進入了一間圖書館，想找到一本書。靠你最近的書架，能放的書最少;而更深處的書架，放的書更多，但你走過去的耗時也長。預(yù)取器好比那位了解你喜好的圖書管理員，他提前將他認為你會拿的書放在離你最近的書架，節(jié)省你的查找時間。

“在實現(xiàn)這個功能的時候，我想當然地認為，預(yù)取器應(yīng)該放在L1 Cache也就是一級緩存內(nèi)。”一級緩存，相當于那個離你更近的但是容量更少的書架。但奇怪的是，加入預(yù)取器后，芯片的性能反而受到了影響，芯片的信息處理速度變慢了。

她花了一個月的時間來找問題，一個一個排查、修改和調(diào)試。后來，張林雋被提醒說，可能是預(yù)取器放置的位置不對?！鞍?，很崩潰，之前寫的東西就沒用了，又要重來?！睂㈩A(yù)取器挪到二級緩存后，困擾她一個月的問題終于消失了。

在真正動手之前，沒人想過，問題竟然會在這等著他們。

學(xué)生們在總結(jié)時寫道，課程作業(yè)就像直接給人采摘的果園，“一生一芯”計劃卻是給一片荒地和幾棵樹苗，從開墾種植到施肥都要自己動手，并且還不知道這樣能不能結(jié)出果實?！安恢獮楹?，從0開始種出的果實好像要更甜一些。”他們說。

3、“我們只是知道了從山底到半山腰的路怎么走”

2019年12月，這款芯片的設(shè)計版圖正式提交，基于中芯國際110nm工藝完成投片。

對五位學(xué)生來說，他們的工作也暫時告一段落。接下來的重心，是完成以芯片為基礎(chǔ)的畢業(yè)設(shè)計。

正式流片之前，團隊已經(jīng)在模擬機上反復(fù)測試過多次。但仍然沒人能打包票，芯片就一定能實現(xiàn)預(yù)期的功能。

平時上課或者比賽，學(xué)生也需要從零開始完成一次芯片設(shè)計。但在課堂實踐中，并不需要測試得太完備，只要設(shè)計出的芯片能通過老師給的幾個測試點，就算成功。在“一生一芯”計劃中，沒有這些被預(yù)先設(shè)計好的“測試點”。你必須考慮全面，細心謹慎。

“即使測試了這么多次，你也不能說這個系統(tǒng)一定沒有bug（缺陷），總有一些邊邊角角沒有測試到的地方，總會有意想不到的問題?！睆堊巷w說。畢竟，在此前四個月的開發(fā)中，他們已經(jīng)見識過各種稀奇古怪的情況。

無可否認的是，壓力更大。

此前的芯片設(shè)計，更像是“紙上談兵”，成功了固然好，失敗了好像也無所謂。但是這次，投入真金白銀去流片，能不能用，幾個月的努力會不會打水漂，流片后就能見分曉。

這是第一期“一生一芯”計劃，大家都希望能開個好頭。等待的日子，他們忐忑又興奮。

2020年4月23日，學(xué)生們從微信群里得知，他們親手設(shè)計的處理器芯片返回了。

但這并不是終點，還需要進行測試驗證。

“從底層PCB版圖、內(nèi)存顆粒到中間處理器設(shè)計、再到上層操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件，每個層次都可能出問題。哪怕一個小問題，都會造成芯片無法正常工作。”包云崗說。

這段測試經(jīng)歷，同樣也是一波三折，甚至有點戲劇性。

芯片回來后，團隊里的老師們上手測試了幾顆，結(jié)果芯片真的就是塊“磚”，沒有任何輸出。一陣忙亂后他們才發(fā)現(xiàn)，原來是主板上的一根電源線接錯了，芯片“出師未捷身先死”，被燒壞了。

后來，又因為一個串口時鐘頻率設(shè)置問題，芯片性能始終不正常。折騰了一段時間，芯片才被調(diào)整到最佳狀態(tài)。

6月2日，在畢業(yè)答辯現(xiàn)場，王華強展示了芯片的工作流程。后來，王凱帆還將國科大操作系統(tǒng)課程上同學(xué)們自己編寫的UCAS-Core移植到了COOSCA核上，完成了用自己寫的CPU運行自己寫的操作系統(tǒng)這件“浪漫”的事。

其實，除了王華強外，其他四位同學(xué)是暑期到深圳參與新項目后，才看到自己設(shè)計的芯片的。張紫飛說：“第一次看到時就覺得，這芯片比我們想象得小啊，好像還有點簡陋。”大家都笑了，他又立刻補充，“但是母不嫌兒丑嘛”。

國科大的學(xué)生將自己的母校簡稱為“果殼”，所以，果殼（nutshell）也就成了“一生一芯”計劃首款芯片的正式名字。9月3日，王華強將代表團隊向全球同行介紹“果殼”的設(shè)計，這也將是“果殼”首次在國際舞臺上亮相。

“國科大學(xué)生硬核畢業(yè)證書”一度成為網(wǎng)上的熱議話題，但被當成“大神”膜拜的幾位學(xué)生，無意將這一項目做過多拔高。

“我們現(xiàn)在看英特爾芯片，就像剛上學(xué)時看‘一生一芯芯片一樣。畢竟這些公司積累了幾十年的經(jīng)驗，我們現(xiàn)在只學(xué)到了皮毛，完全沒法比?！睆埩蛛h說得坦誠。金越則打了個比方：“現(xiàn)在，我們只是知道了從山底到半山腰的路有多難走，還不知道從半山腰到山頂?shù)穆酚卸嚯y走?！?/p>

也正是因為攀過山、爬過坡，學(xué)生們知道自己都是新兵，經(jīng)驗和能力上都有欠缺，還需淬煉。

他們的平均年齡，只有21.8歲。包云崗說，等他們30歲時，就可以說已經(jīng)是處理器芯片和計算機系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域的“老兵”了。無論他們是進入業(yè)界還是學(xué)界，創(chuàng)造力會得到更大的發(fā)揮和展現(xiàn)?！拔覍@批年輕人的未來充滿期待?！?/p>

“一生一芯”計劃瞄準的也正是未來。

國科大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院院長、中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所所長孫凝暉指出，這個計劃想幫助更多高校形成從處理器芯片設(shè)計到流片并運行操作系統(tǒng)的實踐課程，提高我國處理器芯片設(shè)計人才培養(yǎng)規(guī)模，縮短人才從培養(yǎng)階段到投入科研與產(chǎn)業(yè)一線的周期。

據(jù)包云崗介紹，參與“一生一芯”計劃二期的學(xué)生增加到13位，除了國科大外，還有來自浙江大學(xué)、南京大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）和美國密歇根州立大學(xué)等五所高校的同學(xué)。